基于装配信息物理融合系统的产品装配闭环管理模式研究*

中国空空导弹研究院 河南洛阳 471009

1 研究背景

现阶段，我国产品装配车间大多为各部门分工管理，不同部门有不同的管理方式。这种管理模式比较粗放，未形成有效闭环，使得装配作业管理面临诸多问题。例如，装配作业任务不能及时下达到装配生产线，对异常情况响应滞后，以及现有设备不具备对装配过程合理性操作实时监控的条件，从而导致装配作业管理的盲目和混乱等。产品装配作为产品制造中重要的一环，其过程主要特点如下：①产品装配是一种典型的由客户订单驱动的组装生产模式，其生产管理是严格按批次进行的，这就需要管理部门有一个统一的管理方案；②大多数机械产品的组成结构比较复杂，零部件种类繁多，而且装配工艺工序多样，要求在管理上具有高有序性；③产品装配大多是流水线作业，每个环节的控制都必须具备高可靠性和一定的灵敏度，只有装配过程闭环才能保证生产的连续性和稳定性。可见，要保证装配过程的高效与稳定，必须实现装配过程的闭环管理。

当前，在产品装配生产管理方面，一些学者已经取得了研究成果。王发麟等[1]针对复杂机电产品装配效率低、装配质量不高等问题，提出一种面向复杂机电产品的线缆虚实融合装配方法。王小巧[2]研究和开发了一套复杂机械产品装配过程质量自适应控制支持系统，可应用于机械产品的装配。常建娥等[3]针对复杂产品的装配序列规划问题，提出了一种基于离散粒子群算法的装配序列规划方法。尹旭悦等[4]针对航天产品多以手工装配为主，无法满足质量需求的问题，研制了一种包含装配作业现场操作指导、关键部件检验记录功能的一体化训练系统。刘检华等[5]在装配车间管理方面提出了一种基于工作流的装配车间生产管控方法，这一方法将装配数据和装配过程的管理高度集成在一起，有效描述了数据与装配过程间的动态交互，同时也实现了装配数据的统一管理。曾鹏[6]提出了智能工厂信息物理融合系统（CPS）体系架构与关键技术，为产品装配车间的自动化、集成化管理提供新思路。齐文秀等[7]针对生产线质量管理中存在的问题，构建了基于CPS的生产线质量管理架构，从而快速找到质量管理的薄弱环节。王程安[8]针对仓储安全中存在的问题，设计并提出了适用于仓储行业的仓储安全CPS架构，实现了仓储安全的监控。虽然国内外在产品装配系统、车间装配数据集成、装配车间管理等方面进行了大量研究，并且取得了许多有价值的成果，但是将产品装配的物理过程与网络综合模型融合，实现整个装配车间制造过程的闭环控制还处于起步阶段。

综上分析，笔者将CPS应用到产品装配中，提出一种包括感知层、网络层、认知层、应用层的装配信息物理融合系统（ACPS）架构，通过ACPS架构，从底层信息感知到高层信息融合与决策，并将决策结果反馈给现场，从信息处理的角度将装配过程抽象为数据-模型-应用的过程，从而实现对装配过程的闭环管理。

2 CPS概述

CPS是通信、计算和物理过程高度融合的系统，通过实时感知外部环境的信息，将数据融合处理并自主做出决策，再借助反馈机制反馈给物理设备，实现对物理过程的闭环控制管理[9]。可以看出，CPS在信息管理上具有以下优势：一是实现信息的实时感知，能及时掌握装配过程中动态变化的装配信息；二是能够对数据进行融合，可以对采集到的装配数据做出正确的分析处理；三是实现信息的自主决策，通过对装配过程信息的优化，高效自主地做出正确决策；四是具有及时反馈机制，能够将网络空间的决策信息及时反馈给外部设备，实现装配过程的闭环管理。应用CPS，体现了从信息感知到信息认知，从信息认知到知识决策，再从知识决策到决策反馈的数据转化与决策过程，实现了完整的信息闭环管理。

可见，CPS能够实现实体空间和网络空间的实时交互，将实体环境中采集到的物理信息通过网络空间进行融合、分析和决策，再将生成的决策信息自主地反馈给实体环境中的物理对象，从而形成一个闭环回路。根据这一特性，将CPS应用到产品装配车间，可以实现产品装配过程的闭环管理。笔者由此提出一种基于ACPS的产品装配闭环管理模式。

3 ACPS架构

针对产品装配过程中涉及的零部件数量较多、设备及人机交互复杂、部件及相关配套调整要求多，以及相关系统之间的动态协调、信息交换频繁等特点，在文献[10]的基础上提出面向产品装配的ACPS架构，主要包括感知层、网络层、认知层、应用层，如图1所示。

3.1 感知层

感知层直接与产品实际装配的物理过程交互，包含各类制造要素，如人员、设备、工具、物料、在制品及各类物理传感器、控制器、驱动器等。感知层可以感知装配过程中装配扭矩和轴承装配间隙等物理参数，以及零件质量、生产环境、车间工况等信息，这一过程主要采用的技术有采集、定位、监控等信息技术，利用分布检测与融合技术对实时数据信息进行预处理，并将预处理后的数据信息传输给网络层。感知层可以实时、全面、准确地反映装配现场的产品、设备及人员之间的关联关系，提高数据处理的效率和准确率。

3.2 网络层

▲图1 ACPS架构

网络层作为CPS运行的中间枢纽，将感知层提供的数据进行持续存储和实时交互，为认知层各类集群分析和数据挖掘等能力提供支持。CPS的感知层实现了单个设备数据信息化的功能，网络层则实时对获取的感知数据进行融合处理，并对信息进行持续存储、关联分析、层次化聚类分析。根据产品装配件不同阶段、不同环境的状态信息记录需求，首先采用本体技术建立基于语义的记录模型及记录之间的语义关联关系，其次采用网格技术实现数据的动态处理和存储，最后采用面向网格服务的语义检索技术，面向不同的信息检索需求以服务化检索的方式实现信息过滤与聚集。网络层可以自适应完成装配资源的注册、查找、发现、选择、匹配成组、验证等管理，为实现更敏捷的装配资源共享追踪与协同提供支撑，从而进行有效装配资源服务，提高装配资源管理的实时性、准确性和可靠性。

3.3 认知层

认知层在对装配数据分析处理的基础上加入了人的因素，核心是帮助装配车间管理者制订最优的决策。认知层通过对装配数据计算、分析，以可视化的展示方式显示装配进度及异常状况，如装配夹紧力不当、装配工具出现错误等，以便装配人员能够快速、及时地对异常状况进行总结，做出最优的决策。认知层还可以基于具体的装配任务对配套零部件进行合法性验证，使装配过程更加合法合理，满足质量保证体系的要求。

3.4 应用层

应用层在认知层的基础上加入了管理和控制的功能，包括装配过程仿真优化、生产过程实时监控、物料配送管理、产品装配质量管理等。针对装配过程的实时生产决策需求，建立面向装配过程的过程语义模型与决策约束规则，结合装配过程感知信息的实时融合与处理结果，建立面向装配过程实时信息的种子模型，采用种子扩散的算法实现分析与挖掘。在此基础上，采用可信区间估计算法实现基于实时数据的装配状态预判，再基于CPS的资源优化算法实现实时装配资源冲突消解与优化调度，并通过服务的方式反馈给车间监控执行系统，实现作业计划调度与协调控制。

▲图2 基于ACPS的产品装配闭环管理模式

综上所述，在装配车间管理中应用ACPS架构，通过装配信息感知、装配信息融合、装配过程信息决策、装配决策信息反馈给装配现场的过程，一方面能够对数据进行实时处理，合理安排装配资源，提高数据处理的效率和装配资源管理的准确性，另一方面能够对装配任务进行决策和验证，提高装配的效率和可靠性，从而使整个产品装配过程闭环、高效、有序进行。

4 装配质量管理分析

以某红外产品舵机舱段为例，基于ACPS的产品装配闭环管理模式如图2所示。感知层所采集的数据包括装配过程中的物理参数、零件质量、生产环境、车间工况等信息，针对这些多采样率的感知信息，先采用基于广义S维分配的多目标跟踪融合算法，实现感知信息的时空校准与位置融合，再采用基于支持向量机和隐马尔可夫模型的混合分类器，实现感知信息的语义融合。网络层将预处理后的数据根据状态参数的相似性进行聚类分析，一方面对相同时间和相同装配环境下的装配质量数据进行比较，快速识别出相同集群中装配质量的差异性，并迅速判断不合格产品，另一方面以时间为轴量化当前质量数据与历史数据之间的差异，并分析、预测和评估装配质量。认知层以可视化的形式呈现装配质量数据的变化波动性，并标注出影响装配质量的关键工序，生产管理者再对问题工序及时做出优化。这样，产品装配质量管理就形成了一个闭环控制机制，实现了产品装配质量的闭环与精细化管理。

在产品装配质量管理过程中，对采集到的现场数据进行实时分析处理，挖掘出数据潜藏的隐含信息，实现对各配件产品生产加工过程中的加工工艺参数、生产质量数据及加工人员信息进行质量追溯与可视化查询，从而有利于生产管理者对产品装配过程的发展趋势做出科学准确的预测，并及时采取合理有效的方式控制装配过程中产生的问题。可见，应用基于ACPS的产品装配闭环管理模式，能够实现对整个装配车间实时动态化的闭环管理。

5 结束语

笔者针对产品装配过程中信息交互不及时，管理模式开环导致装配混乱、装配过程不稳定、质量不可靠的问题，提出了基于ACPS的产品装配闭环管理模式。在分析了国内外产品装配管理研究现状的基础上，通过构建面向产品装配闭环管理的ACPS架构，实现装配信息感知、装配信息融合、装配过程信息决策、装配决策信息反馈给装配现场整个过程。这一管理模式将CPS融入到产品装配过程的各个环节中，感知层和网络层在提升装配制造环境感知能力的同时，改变了装配制造的物理环境结构和信息反馈机制，实现了装配资源的服务化自适应管理。认知层与应用层加强装配过程的及时控制能力，实现敏捷的装配规划与计划调整，从而提高装配效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，促进装配活动合理化和闭环化控制，实现装配过程的稳定、有序进行。通过装配质量指标分析验证了所提出管理模式的有效性。